Rekonstrukce mostů pod Vyšehradem v Praze

Zadání rekonstrukce mostu

Rekonstrukce mostu byla ze strany investora, Správy železniční dopravní cesty, s.o., zadána s předpokladem využití stávajících mostních konstrukcí s prodloužením provozu na  následujících  třicet let při zachování alespoň současné přechodnosti traťové třídy zatížení C3/60 (nápravová síla 200 kN při rychlosti 60 km/h), která však umožní výhledové navýšení  počtu  vlakových  kapacit  téměř  na dvojnásobek.

Základní součástí dokumentace na rekonstrukci mostů je jejich podrobný statický přepočet podle nových zásad daných metodickým pokynem SŽDC pro určování zatížitelnosti železničních mostních objektů v nejvyšší kategorii přesnosti D, který vychází ze souboru platných norem ČSN EN.

Pro odpovědné provedení přepočtu byly v rámci zakázky zajištěny zejména tyto podklady:
■    ověření rozměrů ocelové konstrukce a spodní stavby (globální zaměření, lokální oměření průřezu);
■    vyhotovení výkresů (stávajícího stavu) nosné ocelové konstrukce a spodní stavby;
■    podrobná prohlídka ocelové nosné konstrukce mostu se stanovením korozních úbytků prvků OK;
■    zkoušky vzorků oceli (mechanické zkoušky, metalografické zkoušky, chemické složení);
■    podrobná prohlídka kamenného  zdiva  opěr  a  pilířů (podvodní a nadvodní části);
■    provedení statické a dynamické ověřovací zatěžovací zkoušky (ověření reálného chování);
■    provedení dlouhodobého monitoringu účinků dopravního zatížení (stanovení spekter napětí pro posouzení mezního stavu únavy).

Na základě těchto podkladů byl následně proveden návrh nutných opatření pro zajištění předpokládaného železničního provozu. Experimentální zkoumání konstrukce bylo provedeno ve spolupráci s týmem předních odborníků z ČVUT v Praze pod  vedením doc. Ing. Pavla Ryjáčka, Ph.D., a prof. Ing. Michala Poláka, CSc.

Historie přemostění

Oblast pravého břehu Vltavy na pražské Výtoni v místech soutoku s potokem Botič prošla během vývoje na konci 19. století a začátku 20. století velkou proměnou. Historicky první přemostění v daném úseku bylo na jednokolejné trati postaveno v roce 1871, viz obr. 2. S rozvojem železniční dopravy vznikla potřeba vybudovat kapacitnější dopravní spojení. Nejprve byly v roce 1901 vyměněny nosné konstrukce mostu přes Vltavu včetně úseku předpolí za dvoukolejné, ale zprovozněna byla pouze jedna kolej (stávající kolej č. 2). O šest let později, v roce 1907, byla po rozšíření kamenné klenbové části na výtoňském předpolí uvedena do provozu i druhá kolej (stávající kolej č. 1). Mostní konstrukce navrhla Mostárna bratří Prášilů. Výroba a dodávka ocelových konstrukcí byla zajištěna z Mostárny bratří Prášilů, První Českomoravské strojírny a Pražské akciové strojírny. Výtoňské předpolí zajišťovaly Těšínské železárny. Názor veřejnosti na vzhled nového mostu dokládá úryvek z dobového tisku v roce 1904: Nehodláme zde vésti kritiku o estetické stránce tohoto mostu, byli bychom v lůně velkého města raději viděli nějakou konstrukci úhlednější. Drahám je však těžko předepisovat, a mimo  to je konstrukce poloparabolická podle dnešních zkušeností vždy poměrně velmi levná...

V rámci elektrifikace železniční sítě proběhla v letech 1969–1970 na nosných konstrukcích z konstrukčního hlediska poměrně necitlivá úprava horního ztužení vč. koncových portálů. Konzoly trakčního vedení byly uchyceny přímo na profily svislic hlavního nosníku. Rozsáhlejší konstrukční úpravy byly provedeny na mostovkové části až v roce 1987, kdy byly zesíleny podélníky, bylo doplněno podmostovkové ztužení a brzdné ztužidlo u krajů a ve středu nosné konstrukce.

Je tedy zřejmé, že za 117 let existence mostu se názor veřejnosti povětšinou zcela obrátil a most je v současnosti vnímám jako dominanta a nedílná součást Podskalí. Spoluutváří panorama Prahy, a to jak při severním pohledu na Pražský hrad, tak při jižním pohledu na baziliku sv. Petra a Pavla (Vyšehrad). Soubor mostních konstrukcí přemostění Vltavy je od prosince 2004 kulturní nemovitou památkou.

Popis stávajícího stavu

Přemostění přes výtoňské nábřeží a Vltavu je tvořeno pěti mosty.  Od bývalého nádraží Vyšehrad (ve směru od Praha hlavní nádraží) jej tvoří kamenný klenbový most o pěti otvorech v ev. km 3.390 (Garáže I), ocelový trámový most o jednom otvoru přes Vyšehradskou ulici v ev. km 3.415 (Vyšehradská), kamenný klenbový most o osmi otvorech v ev. km 3.470 (Garáže II), ocelový trámový most se čtveřicí mostních otvorů přes pravobřežní komunikace v ev. km 3.545 (Estakáda Výtoň) a ocelový příhradový železniční most se třemi mostními otvory přes Vltavu v ev. km 3.706 (Pod Vyšehradem), viz obr. 3.

Nosné konstrukce mostu přes  Vltavu  jsou  navrženy  jako  uzavřené  příhradové  násobné  soustavy  se  zakřiveným  horním  pásem o shodném rozpětí 71,72 m, které byly v té době nejhospodárnějším řešením. Konstrukční uspořádání mostu odpovídalo době vzniku a snaze o snížení hmotnosti konstrukce. Jednotlivé  profily jsou odstupňovány podle očekávaných namáhání. Řešení detailů členěných prutů příhradové konstrukce  nezohledňovalo  nebezpečí rozvoje koroze oceli při poruše protikorozní ochrany (zejména štěrbinové). Tento problém se týká zejména dolního pásu, diagonál  a spodní části svislic.

Most je dvoukolejný s prvkovou mostovkou, tvořenou příčníky  a nespojitými podélníky, které jsou vkládány mezi příčníky. Osová vzdálenost mezi hlavní nosníky je 8,80 m. Výška hlavního nosníku se mění od 7,136 m u portálu až po 12,347 m ve středu rozpětí, viz obr. 4. Tvar horního pásu je polygonálně lomený v místě styčníků. Hlavní nosník je členěn na šestnáct příhrad s délkami 3,46 m + 4,0 m + 4,40 m a 5 × 4,80 m na polovině rozpětí.

Jedna nosná konstrukce mostu přes Vltavu váží včetně mostního vybavení 593 t, což odpovídá 8,0 t.m^-1. Podle materiálových zkoušek se jedná o plávkovou ocel se zaručenou mezí kluzu 230 MPa, která odpovídá současné oceli S235JR. Tato ocel je z dnešního pohledu pro dynamicky namáhané mostní konstrukce zcela nevhodná s ohledem na nízké hodnoty vrubové houževnatosti, které se mohou při nízkých teplotách projevit náhlým křehkým lomem.

Spodní stavba je masivní, z řádkového kamenného zdiva s výplní betonem. Způsob založení částí z roku 1871 je na dřevěném pilotovém roštu a částí z roku 1901 je plošné na výplňovém betonu. Pouze pilíře v toku řeky jsou založeny na ocelových nýtovaných kesonech opřených až o skalní podloží.

Statická a dynamická ověřovací zkouška

Na mostě přes Vltavu v ev. km 3.706 (Pod Vyšehradem) byla prováděna ověřovací statická a dynamická zatěžovací zkouška, jejímž účelem bylo ověřit shodu měřených veličin a veličin stanovených na výpočetním modelu mostu pro případnou jeho úpravu a dále stanovení únavových účinků dopravy na mostě (stanovení spekter dopravního zatížení). Z výsledků zkoušky byla vyhodnocena shoda předpokladu deformací a napětí s výsledky měření a prvních vlastních tvarů a frekvencí (torzní a ohybové).
Zatěžovací stavy byly voleny podle účelu:
■     statické zatěžovací stavy – symetrické a nesymetrické;
■     dynamické zatěžovací stavy – přejezdy rychlostmi 5 až 60 km/h;
■     brzdné  zatěžovací  stavy – zabrzdění  z  rychlosti  40 km/h na 0 km/h a následný rozjezd.

Při statické zatěžovací zkoušce byly měřeny:
■     svislý průhyb (radarovou interferometrií);
■     deformace koncového příčníku;
■     normálové napětí na vybraných prvcích mostní konstrukce (horní  a dolní pásy, diagonály, příčníky, podélníky).

Při dynamické zatěžovací zkoušce byla měřena odezva konstrukce na dynamické zatížení přejezdy zkušebního zatížení:
■     zrychlení svislé deformace ve středu rozpětí a cca v 1/4 rozpětí;
■     zrychlení příčné deformace ve středu rozpětí a cca v 1/4 rozpětí;
■     normálové napětí na vybraných prvcích mostní konstrukce shodně se statickou zkouškou.

Paralelní měření absolutních deformací hlavního nosníku v průběhu zatěžovací zkoušky zajistila firma Vintegra s.r.o. radarovou interferometrií. Pro zkoušení bylo použito hnací vozidlo ř. 771 (Čmelák – jednička) a hnací vozidlo řady 749 (Bardotka) zapůjčené  z ČD Cargo, a.s., viz obr. 5.

V rámci zpracování výsledků zatěžovací zkoušky byly vyhodnoceny vlastní frekvence a tvary konstrukce a ty byly porovnány s teoretickými  hodnotami.  Porovnáním odpovídajících  vypočtených a naměřených výsledků byla zkontrolována správnost námi vytvořeného výpočetního modelu. Dále pak byla vyhodnocena napětí v měřených místech na hlavním nosníku a mostovce. Podkladem pro vytvoření spekter napětí stávající dopravy byla  data  získaná z monitoringu mostu a následná numerická simulace přejezdů charakteristických vlakových souprav v rámci  dynamického  výpočtu. Z experimentálního měření bylo vybráno a vyhodnoceno celkem sedm dní tak, aby vytvořená spektra reprezentovala rozkmity napětí a jim odpovídající počty cyklů od dopravy na mostě během jednoho typického týdne.

Průzkum dopravního zatížení na trati

Rozsah návrhu rekonstrukce s ohledem na požadavek navýšení kapacity vlakové cesty bylo možné stanovit posouzením mezního stavu únavy, které zohlední celou dobu životnosti mostní konstrukce. Pro potřeby tohoto posouzení bylo tedy nezbytné získat informace o dopravním zatížení od roku 1901 až po rok 2055 (třicet let po provedení rekonstrukce mostu), viz obr. 6. Jedná se časový úsek, ve kterém došlo k zásadním změnám v uspořádání území, tzn. Rakousko-Uhersko – Československo – Česká republika, a to včetně období dvou světových válek.

Přemostění v místě trati Praha hlavní nádraží – Praha-Smíchov je specifické s ohledem na sdruženou funkci s Branickým mostem, který překonává Vltavu na jižním okraji Prahy a převádí tzv. Jižní spojku Radotín – Krč – Vršovice. V roce 1964 byla větší část nákladní dopravy převedena právě na tuto trať. Část nákladních vlaků směr Kladno bylo na mostě ponecháno společně s osobní dopravou.

Historická data byla rozdělena na intenzity připadající Branickému mostu a intenzity připadající přemostění přes výtoňské nábřeží a řeku Vltavu. Z pohledu celkové intenzity přeprav je nutné na obě trati pohlížet jako na jeden úsek. Metodicky byla námi zjištěná data intenzit dopravy vyhodnocena podle postupů prof. L. Frýby, které byly shrnuty v dizertační práci Ing. L. Žemličkové, Ph.D. Ekvivalentní rozkmit napětí železničních mostů, 2004. Z přehledu historie cyklického zatížení je patrné, že výhledová doprava bude dosahovat téměř dvojnásobku průměru dopravy do této doby. Zatížení na mostě tedy enormně vzroste, což má dopady na návrh rekonstrukce mostu.

Rozsah úprav rekonstrukce přemostění

Rozhodující částí přemostění pro stanovení koncepce řešení rekonstrukce je most v ev. km 3.706 (Pod Vyšehradem) přes Vltavu. Nosná konstrukce tohoto mostu je z roku 1901 a podle provedeného podrobného diagnostického průzkumu je v technicky nevyhovujícím stavu. Zejména se jedná o rozsáhlé korozní oslabení členitých detailů ocelové nosné konstrukce, které má akcelerační charakter a časem se tedy zrychluje. Jde o velmi silné oslabení a štěrbinovou korozi prvků, místy se zcela přerušenými částmi prvků, viz obr. 7.

Jedná se o prostory mezi jednotlivými prvky, kde není dostatek místa pro vyčištění a provedení obnovy nátěru. Poruchy jsou limitující pro zbytkovou živostnost mostní konstrukce. Z hlediska možnosti opravy je nutno zdůraznit, že omezení koroze v místě poruchy nelze jakkoli snížit a poruchy je možno opravit pouze výměnou celého prvku. Dalším aspektem je vyčerpání životnosti prvků mostovky vlivem cyklického zatížení, které je velmi ovlivněno v současnosti již vysokou intenzitou stávající dopravy. Celkově lze stávající stav prvků mostu charakterizovat tak, že jsou na hranici své životnosti a v mnohých případech i za touto hranicí.

Pro zajištění předpokladu zadání by bylo třeba u nosných ocelových konstrukcí uvažovat s vyměněnou korozí poškozených prvků a zesílením nevyhovujících prvků. Zejména se jedná o tažené prvky (dolní pás, diagonály svislice, prvky mostovky, ztužení apod.), které jsou náchylnější k destruktivnímu porušení (např. náhlý křehký lom). Celkově by se jednalo o výměnu minimálně cca 63 % prvků ocelové konstrukce a demontáž i zpětné osazení dalších 8 % prvků mostu, viz obr. 8. Takto náročná rekonstrukce, jež zahrnuje manipulaci s cca 75 % konstrukce, by si vyžádala odpovídající čas na vlastní realizaci (předpoklad ~ čtyři roky), která by probíhala na montážních bárkách v místě stavby nad vodním tokem. Po tuto dobu by byl možný pouze jednokolejný provoz po mostním provizoriu.

Z dosavadního vývoje návrhu rekonstrukce ocelových konstrukcí mostů zcela jednoznačně vyplývá, že rozsah rekonstrukce mostu je neúměrný výsledně dosaženým parametrům s omezenou životností a možnosti rekonstrukce stávajících ocelových konstrukcí jsou pouze teoretické a pro požadovaný intenzivní železniční provoz nelze mostní konstrukci využít.

Tyto naše závěry byly potvrzeny zpracovanými oponentními posudky, které zpracovala k statickému přepočtu Žilinská univerzita v Žiline (UNIZA, Stavební fakulta, prof. Ing.  Josef  Vičan, CSc.) a ke stavebnímu stavu Kloknerův ústav při ČVUT v Praze (doc. Ing. Jiří Kolísko, Ph.D.).

Aktuálně byla na mostě snížena rychlost na 40 km/h a přechodnost vlakových souprav byla posouzena pro zbytkovou životnost pět let  s tím, že do doby realizace rekonstrukce mostu nesmí být zvýšena intenzita dopravního zatížení. Jeho rekonstrukci bude tedy nutné zajistit v krátkodobém horizontu, protože s ohledem na závažnost poruch nelze spolehlivost mostní konstrukce dlouhodoběji garantovat. V nejbližší době bude nezbytné zpracovat také možnosti alternativních řešení, která by  zajišťovala  bezpečný  železniční  provoz na návrhovou dobu minimálně sto let. Výsledné řešení musí odpovídat významu mostu v památkově chráněném území širšího centra Prahy.